CN106979512A - 一种超临界二氧化碳二次再热燃煤发电锅炉系统 - Google Patents

一种超临界二氧化碳二次再热燃煤发电锅炉系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超临界二氧化碳二次再热燃煤发电锅炉系统,其包括炉膛和烟道，炉膛竖直设置，炉膛的侧壁由冷却壁和再热壁组成，冷却壁位于再热壁下方，冷却壁的中部和下部区域设置有燃烧器，再热壁由一次再热壁和二次再热壁组成，一次再热壁和二次再热壁的离地高度相等或接近，烟道内沿烟气流动方向分级设置有过热器模块和再热器模块。本发明的有益效果为，再热壁的结构设计新颖，在不增加炉膛高度和也不需将炉膛设计为卧式的前提下，实现了三级热吸收和做功，能源的利用率高；通过适当的阀门开闭即可选择特定组合的一次再热壁和二次再热壁，即一次再热壁和二次再热壁的受热面积可调整，故可灵活调节再热工质的温度，保证再热工质的过热度达标。

Description

一种超临界二氧化碳二次再热燃煤发电锅炉系统
技术领域
本发明属于先进发电设备领域，具体涉及一种超临界二氧化碳二次再热燃煤发电锅炉系统。
背景技术
由于提高发电机组的效率、减少污染物的排放是一个永恒的话题，因此一些新概念动力系统得到关注。超临界二氧化碳的物理性质特殊，在相同的负荷要求下，以其作为工质的发电系统尺寸更小、结构更紧凑，可以节约占地面积、降低造价，同时由于其能量密度比水大，在现有钢材耐高温水平的情况下，以超临界二氧化碳为工质的锅炉系统效率更高。
在二氧化碳减排的背景下，随着二氧化碳捕集、利用研究的深入，将有助于以超临界二氧化碳为工质的发电系统的发展。检索相关专利发现，目前还没有把二氧化碳捕集、利用与以超临界二氧化碳为工质的发电系统相结合起来的案例，如专利201610038208.1一种煤基超临界二氧化碳布雷顿循环双分流高效发电系统、201510117556.3一种新型超临界二氧化碳燃煤锅炉。
在超临界二氧化碳二次再热燃煤发电锅炉系统实施过程中，有时会存在再热工质温度过热度不达标的问题。针对这一问题，现有技术中的解决办法如下：发明专利201610654055.3一种超临界二氧化碳锅炉辐射受热面布置方法，其在炉膛燃烧器下部布置再热工质辐射受热面、在燃烧器周围区域和上部区域布置主工质辐射受热面的方法，其不足之处在于：只能实现一次再热做功，无法二次再热做功，并且能量梯级利用率低，造成能量浪费；发明专利201510117556.3一种新型超临界二氧化碳燃煤锅炉，其为卧式炉结构且其在炉膛内布置三个级别的附壁辐射冷却受热面，其不足之处在于：一方面，三个级别的附壁辐射冷却受热面的比例和位置是一定的，其不能灵活适应不同负荷下炉膛内部的燃烧和传热情况，也不能在不同负荷下对一次再热工质和二次再热工质的过热度不足问题进行灵活调节，另一方面，卧式炉结构有其固有的缺陷，烟气气流水平流动而热气流会自发向上，所以在同一个断面上烟气温度上高下低，温度场实际分布与设计相差会较大，换热不好，受热面的利用效果不好，同时其必须使用更大功率的风机对烟气进行引流，能耗较高。因此现有技术中缺乏解决再热工质过热度不达标问题的有效手段。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种超临界二氧化碳二次再热燃煤发电锅炉系统，其能对一次再热工质、二次再热工质的加热程度进行灵活调节，以有效解决其过热度不达标的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种超临界二氧化碳二次再热燃煤发电锅炉系统，包括炉膛和烟道，所述炉膛竖直设置，所述烟道的一端与所述炉膛的上端部连通，所述炉膛的侧壁由冷却壁和再热壁组成，所述冷却壁位于所述再热壁下方，所述冷却壁的中部和下部区域设置有燃烧器，所述再热壁由一次再热壁和二次再热壁组成，所述一次再热壁和二次再热壁的离地高度相等或接近，所述烟道内沿烟气流动方向分级设置有过热器模块和再热器模块。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述炉膛的横截面为矩形，所述再热壁由前壁、后壁、左壁和右壁组成，所述前壁、后壁、左壁和右壁的上下两端均各自设置有独立的联箱，所述一次再热壁由所述前壁、后壁、左壁和右壁中的任意一个、两个或三个及相应的独立联箱组成，剩下的壁及其两端的独立联箱组成二次再热壁。前壁、后壁、左壁和右壁中的每一个均在自己的上下两端设有独立的独立联箱，可保证方便的实现多种组合的一次再热壁和二次再热壁。现有的锅炉的炉膛的截面大多均为矩形，故本发明提供的发明锅炉系统的炉膛截面也优选为矩形。炉膛截面为矩形，则长宽不同，故前壁后壁的吸热面积与左壁右壁的吸热面积不同，这使得一次再热壁和二次再热壁具有更多种不同的组合，以方便调节再热工质的温度。
进一步，所述一次再热壁由所述前壁和后壁及相应的独立联箱组成，所述二次再热壁由所述左壁和右壁及相应的独立联箱组成。
进一步，所述一次再热壁由所述前壁和左壁及相应的独立联箱组成，所述二次再热壁由所述后壁和右壁及相应的独立联箱组成。
进一步，所述一次再热壁由所述前壁、后壁和左壁及相应的独立联箱组成，所述二次再热壁由所述右壁及相应的独立联箱组成。
进一步，所述过热器模块包括沿烟气流动方向依次设置的屏式过热器、高温过热器和低温过热器，所述再热器模块包括沿烟气流动方向依次设置的高温再热器组和低温再热器组，所述高温再热器组包括并联设置的一次高温再热器和二次高温再热器(并联设置是指一次高温再热器和二次高温再热器在烟气流动方向上于同一位置设置，烟气同时通过两者)，所述低温再热器组包括串联设置的一次低温再热器和二次低温再热器(串联设置是指一次低温再热器和二次低温再热器在烟气流动方向上先后设置，烟气流动时先通过一次低温再热器，再通过二次低温再热器)。
进一步，所述烟道由水平烟道和竖直烟道组成，所述水平烟道的两端分别与所述炉膛及所述竖直烟道的上端连通，所述水平烟道内设置有所述屏式过热器、高温过热器和高温再热器组，所述竖直烟道沿烟气流动方向依次设置有烟气挡板、省煤器和空气预热器，所述烟气挡板的一侧设置有所述低温过热器，所述烟气挡板的另一侧设置有所述低温再热器组。
进一步，所述一次高温再热器出口和二次高温再热器的出口均通过独立的管道及相应的阀门分别与所述前壁、后壁、左壁和右壁下端的四个所述独立联箱连通，所述前壁、后壁、左壁和右壁上端的四个所述独立联箱均通过独立的管道及相应的阀门分别与气轮机的高压缸入口和气轮机中压缸入口连通，所述屏式过热器的出口与气轮机的超高压缸入口连通。
进一步，所述冷却壁在竖直方向的长度为0.5L≤L1＜L，所述再热壁在竖直方向的长度为0＜L2≤0.5L，L为炉膛高度，L1为冷却壁在竖直方向的长度，L2为再热壁在竖直方向的长度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)再热壁的结构设计新颖，包括离地高度相近或相等的一次再热壁和二次再热壁，即相当于沿一竖直面将再热壁剖分成两部分(包括但不限于该种情况)，在不增加炉膛高度和也不需将炉膛设计为卧式结构的前提下，实现了以超临界二氧化碳为工质在冷却壁处吸热后的超高压做功、在一次再热壁处吸热后的高压做功和在二次再热壁处吸热后的中、低压做功，没有卧式炉的固有缺陷，传热效率高，可二次做功，对能量梯级利用，能源的利用效率高。
(2)本发明的一次再热壁和二次再热壁的受热面积可以据需要适当调整，即其吸热量可调节，一次再热壁可以选择前、后、左、右四壁中的任一个、两个或三个，剩下的为二次再热壁，可适应不同负荷的一次再热做功和二次再热做功，通过适当的阀门开闭即可选择特定组合的一次再热壁和二次再热壁，故可灵活调节再热工质的温度，保证再热工质的过热度达标。
附图说明
图1为本发明提供的一种超临界二氧化碳二次再热燃煤发电锅炉系统的示意图；
图2为图1所示的锅炉系统沿A-A的剖面示意图；
图3为图1所示的锅炉系统各部件的连接关系示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1.冷却壁；2.燃烧器；3.再热壁；3-1.一次再热壁；3-2.二次再热壁；4.屏式过热器；5.高温过热器；6.一次高温再热器；7.二次高温再热器；8.一次低温再热器；9.二次低温再热器；10.低温过热器；11.省煤器；12.空气预热器；13.压缩机；14.超高压缸；15.高压缸；16.中压缸；17.低压缸。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1至3所示，本发明提供一种超临界二氧化碳二次再热燃煤发电锅炉系统，包括炉膛和烟道，所述炉膛竖直设置，所述炉膛的侧壁由冷却壁1和再热壁3组成，所述冷却壁1位于所述再热壁3下方，所述冷却壁1的中部和下部区域设置有燃烧器2，所述再热壁3由一次再热壁3-1和二次再热壁3-2组成，所述一次再热壁3-1和二次再热壁3-2的离地高度相等或接近，所述烟道内沿烟气流动方向分级设置有过热器模块和再热器模块。
进一步，所述炉膛的横截面为矩形，所述再热壁3由前壁、后壁、左壁和右壁组成，所述前壁、后壁、左壁和右壁的上下两端均各自设置有独立的联箱，所述一次再热壁3-1由所述前壁、后壁、左壁和右壁中的任意一个、两个或三个及相应的独立联箱组成。
进一步，所述过热器模块包括沿烟气流动方向依次设置的屏式过热器4、高温过热器5和低温过热器10，所述再热器模块包括沿烟气流动方向依次设置的高温再热器组和低温再热器组，所述高温再热器组包括并列设置的一次高温再热器6和二次高温再热器7，所述低温再热器组包括串联设置的一次低温再热器8和二次低温再热器9。
进一步，所述烟道由水平烟道和竖直烟道组成，所述水平烟道的两端分别与所述炉膛及所述竖直烟道的上端连通，所述水平烟道内设置有所述屏式过热器4、高温过热器5和高温再热器组，所述竖直烟道沿烟气流动方向依次设置有烟气挡板、省煤器11和空气预热器12，所述烟气挡板的一侧设置有所述低温过热器10，所述烟气挡板的另一侧设置有所述低温再热器组。
进一步，所述冷却壁1在竖直方向的长度为0.5L≤L1＜L，所述再热壁3在竖直方向的长度为0＜L2≤0.5L，L为炉膛高度，L1为冷却壁1在竖直方向的长度，L2为再热壁3在竖直方向的长度。
具体的，如图3所示各部件的连接方式为：压缩机13出口与省煤器11入口连通，省煤器11出口与冷却壁1入口独立联箱连通，冷却壁1出口独立联箱与低温过热器10入口连通，低温过热器10出口与高温过热器5入口连通，高温过热器5出口与屏式过热器4入口连通，屏式过热器4出口与气轮机的超高压缸14入口连通；气轮机超高压缸14出口与一次低温再热器8入口连通，一次低温再热器8出口与一次高温再热器6入口连通，所述一次高温再热器6出口和二次高温再热器7的出口均通过独立的管道及相应的阀门分别与所述前壁、后壁、左壁和右壁下端的四个所述独立联箱连通，所述前壁、后壁、左壁和右壁上端的四个所述独立联箱均通过独立的管道及相应的阀门分别与气轮机的高压缸15入口和气轮机中压缸16入口连通，气轮机高压缸15的出口与二次低温再热器9入口连通，所述二次低温再热器9出口与二次高温再热器7的入口连通，所述汽轮中压缸16出口与低压缸17的入口连通，所述低压缸17的出口与压缩机13连通，完成整个循环过程。
依据一次再热和二次再热特定的负荷要求，可通过控制相应阀门的启闭，灵活的选择所述前壁、后壁、左壁和右壁及相应的独立联箱中的不同组合分别构成一次再热壁3-1和二次再热壁3-2。
实施例1
如图2所示，在特定的负荷要求下，以前壁、后壁及相应的独立联箱为一次再热壁3-1，左壁和右壁及相应的独立联箱为二次再热壁3-2。
阀门的开闭情况及具体连通关系如下：一次高温再热器6出口与所述前壁和后壁各自下端独立联箱之间的连接管道上的阀门开启，二次高温再热器7出口与所述左壁和右壁各自下端独立联箱之间的连接管道上的阀门开启，所述前壁和后壁各自上端独立联箱与气轮机的高压缸15入口之间的连接管道上的阀门开启，所述左壁和右壁各自上端独立联箱与气轮机的中压缸16入口之间的连接管道上的阀门开启；同时，一次高温再热器6出口与所述左壁和右壁各自下端独立联箱之间的连接管道上的阀门关闭，二次高温再热器7出口与所述前壁和后壁各自下端独立联箱之间的连接管道上的阀门关闭，所述前壁和后壁各自上端独立联箱与气轮机的中压缸16入口之间的连接管道上的阀门关闭，所述左壁和右壁各自上端独立联箱与气轮机的高压缸15入口之间的连接管道上的阀门关闭。
实施例2
在另一特定的负荷要求下，以前壁、左壁及相应的独立联箱为一次再热壁3-1，后壁和右壁及相应的独立联箱为二次再热壁3-2。
阀门的开闭情况及具体连通关系如下：一次高温再热器6出口与所述前壁和左壁各自下端独立联箱之间的连接管道上的阀门开启，二次高温再热器7出口与所述后壁和右壁各自下端独立联箱之间的连接管道上的阀门开启，所述前壁和左壁各自上端独立联箱与气轮机的高压缸15入口之间的连接管道上的阀门开启，所述后壁和右壁各自上端独立联箱与气轮机的中压缸16入口之间的连接管道上的阀门开启；同时，一次高温再热器6出口与所述后壁和右壁各自下端独立联箱之间的连接管道上的阀门关闭，二次高温再热器7出口与所述前壁和左壁各自下端独立联箱之间的连接管道上的阀门关闭，所述前壁和左壁各自上端独立联箱与气轮机的中压缸16入口之间的连接管道上的阀门关闭，所述后壁和右壁各自上端独立联箱与气轮机的高压缸15入口之间的连接管道上的阀门关闭。
实施例3
在另外特定的负荷要求下，以前壁、后壁和左壁及相应的独立联箱为一次再热壁3-1，右壁及相应的独立联箱为二次再热壁3-2。
阀门的开闭情况及具体连通关系如下：一次高温再热器6出口与所述前壁、后壁和左壁各自下端独立联箱之间的连接管道上的阀门开启，二次高温再热器7出口与所述右壁下端独立联箱之间的连接管道上的阀门开启，所述前壁、后壁和左壁各自上端独立联箱与气轮机的高压缸15入口之间的连接管道上的阀门开启，所述右壁上端独立联箱与气轮机的中压缸16入口之间的连接管道上的阀门开启；同时，一次高温再热器6出口与所述右壁下端独立联箱之间的连接管道上的阀门关闭，二次高温再热器7出口与所述前壁、后壁和左壁各自下端独立联箱之间的连接管道上的阀门关闭，所述前壁、后壁和左壁各自上端独立联箱与气轮机的中压缸16入口之间的连接管道上的阀门关闭，所述右壁上端独立联箱与气轮机的高压缸15入口之间的连接管道上的阀门关闭。
即当负荷发生改变后，根据实际的一次再热工质和二次再热工质过热度不足的具体情况，通过调节不同的阀门启闭或开度对一次再热壁3-1和二次再热壁3-2的吸热面积和工质流量进行分配调整，以使一次再热工质和二次再热工质的过热度达标。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超临界二氧化碳二次再热燃煤发电锅炉系统，包括炉膛和烟道，所述炉膛竖直设置，所述烟道的一端与所述炉膛的上部连通，其特征在于，所述炉膛的侧壁由冷却壁(1)和再热壁(3)组成，所述冷却壁(1)位于所述再热壁(3)下方，所述冷却壁(1)的中部和下部区域设置有燃烧器(2)，所述再热壁(3)由一次再热壁(3-1)和二次再热壁(3-2)组成，所述一次再热壁(3-1)和二次再热壁(3-2)的离地高度相等或接近，所述烟道内沿烟气流动方向分级设置有过热器模块和再热器模块。
2.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳二次再热燃煤发电锅炉系统，其特征在于，所述再热壁(3)由前壁、后壁、左壁和右壁组成，所述前壁、后壁、左壁和右壁的上下两端均各自设置有独立联箱，所述一次再热壁(3-1)由所述前壁、后壁、左壁和右壁中的任意一个、两个或三个及相应的独立联箱组成。
3.根据权利要求2所述的一种超临界二氧化碳二次再热燃煤发电锅炉系统，其特征在于，所述一次再热壁(3-1)由所述前壁和后壁及相应的独立联箱组成，所述二次再热壁(3-2)由所述左壁和右壁及相应的独立联箱组成。
4.根据权利要求2所述的一种超临界二氧化碳二次再热燃煤发电锅炉系统，其特征在于，所述一次再热壁(3-1)由所述前壁和左壁及相应的独立联箱组成，所述二次再热壁(3-2)由所述后壁和右壁及相应的独立联箱组成。
5.根据权利要求2所述的一种超临界二氧化碳二次再热燃煤发电锅炉系统，其特征在于，所述一次再热壁(3-1)由所述前壁、后壁和左壁及相应的独立联箱组成，所述二次再热壁(3-2)由所述右壁及相应的独立联箱组成。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种超临界二氧化碳二次再热燃煤发电锅炉系统，其特征在于，所述过热器模块包括沿烟气流动方向依次设置的屏式过热器(4)、高温过热器(5)和低温过热器(10)，所述再热器模块包括沿烟气流动方向依次设置的高温再热器组和低温再热器组，所述高温再热器组包括并联设置的一次高温再热器(6)和二次高温再热器(7)，所述低温再热器组包括串联设置的一次低温再热器(8)和二次低温再热器(9)。
7.根据权利要求6所述的一种超临界二氧化碳二次再热燃煤发电锅炉系统，其特征在于，所述烟道由水平烟道和竖直烟道组成，所述水平烟道的两端分别与所述炉膛及所述竖直烟道的上端连通，所述水平烟道内设置有所述屏式过热器(4)、高温过热器(5)和高温再热器组，所述竖直烟道沿烟气流动方向依次设置有烟气挡板、省煤器(11)和空气预热器(12)，所述烟气挡板的一侧设置有所述低温过热器(10)，所述烟气挡板的另一侧设置有所述低温再热器组。
8.根据权利要求2至5任一项所述的一种超临界二氧化碳二次再热燃煤发电锅炉系统，其特征在于，所述一次高温再热器(6)出口和二次高温再热器(7)的出口均通过独立的管道及相应的阀门分别与所述前壁、后壁、左壁和右壁下端的四个所述独立联箱连通，所述前壁、后壁、左壁和右壁上端的四个所述独立联箱均通过独立的管道及相应的阀门分别与气轮机的高压缸(15)入口和气轮机中压缸(16)入口连通，所述屏式过热器(4)的出口与气轮机的超高压缸(14)入口连通。
9.根据权利要求6所述的一种超临界二氧化碳二次再热燃煤发电锅炉系统，其特征在于，所述冷却壁(1)在竖直方向的长度为0.5L≤L1＜L，所述再热壁(3)在竖直方向的长度为0＜L2≤0.5L，L为炉膛高度，L1为冷却壁(1)在竖直方向的长度，L2为再热壁(3)在竖直方向的长度。
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